一种混合型表面织构刀具的制作方法

本发明属于机械切削刀具技术领域，具体是指一种混合型表面织构刀具。

背景技术：

摩擦是关系到机械设备可靠性、耐久性的主要因素，有效减小摩擦可使机械设备处于良好的润滑状态。所以，减摩已成为保护环境、提高效率的迫切要求。传统的切削加工为了减轻刀具的磨损、降低切削温度，普遍采用大量浇注式供给切削液，切削液的润滑和冷却效果很多情况下不能满足加工要求还增加了制造成本，对人体和环境造成很大危害。而目前的切削加工领域，限制难加工材料切削速度的原因主要是切削区的剧烈摩擦和高切削温度导致的刀具磨损加剧。

表面织构具有优异的降低摩擦、减小磨损和提高表面性能等特性，是一种改善表面接触状态和润滑状态的有效手段。因此在刀具表面设计合适的几何形状可以延长其使用寿命，对节约能源、保护环境具有重要的意义。刀具表面微织构的置入减小了刀—屑接触长度，刀具表面的润滑状态得到改善，减小了刀—屑界面的摩擦，降低切削力和切削温度。

目前的研究表明，混合型表面织构在一定的混合方式和实验条件下，减摩效果优于单一表面织构。对单一织构类型而言，由于刀—屑界面通常处于边界润滑状态，刀具与切屑之间的润滑膜可能处于断续接触状态。因此需要研究一种混合型表面织构新技术，以改善刀—屑界面的边界润滑状态，提高刀具耐用度。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出了一种混合型表面织构刀具，该刀具表面的混合织构同时具有微沟槽、圆形凹坑及方形凹坑三种形态中两种或三种的组合；通过在与切屑发生挤压及摩擦的表面加工混合织构以改善刀—屑界面的边界润滑状态，降低了界面摩擦力，提高刀具耐用度。

本发明是这样实现的，本发明公开的一种混合型表面织构刀具，包括前刀面，前刀面上的切削刃，在所述的前刀面表面划分为织构区以及未织构区；所述的织构区靠近切削刃；在前刀面上，即与切屑发生挤压及摩擦的表面加工混合织构，所述的混合织构为圆形凹坑、方形凹坑、微沟槽的任意两种或者三种形态的组合；即在所述的织构区设置有圆形凹坑、方形凹坑、微沟槽或者圆形凹坑、方形凹坑、微沟槽任意两种形态的组合。

进一步，所述的圆形凹坑的具体形貌几何参数为：直径∈[20,500]μm，深度∈[2,50]μm。

进一步，所述的方形凹坑具体形貌几何参数为：边长∈[20,500]μm，深度∈[2,50]μm。

进一步，所述的微沟槽的设置方向与切削刃平行；所述的微沟槽的具体形貌几何参数为：宽度∈[20,500]μm，深度∈[2,50]μm。

进一步，所述的圆形凹坑与/或方形凹坑沿与切削刃平行或垂直方向呈行与列排布；所述的圆形凹坑、方形凹坑以及微沟槽之间的距离为20~400μm；即无论是任意两种形态的组合还是三种形态的组合，几种形态间的间距都为20~400μm。

进一步，所述的织构区表面，在与切削刃由近至远方向依次分为重度磨损区、中度磨损区、轻度磨损区；混合织构只存在于靠近切削刃的前刀面织构区（3）上，织构区占整个前刀面的30%~70%，织构区距离切削刃的垂直距离为5~500μm。根据距离切削刃越远的区域磨损量越小。

进一步，所述的重度磨损区的织构面积占有率为45%~60%，总面积为织构区的30%~35%；所述的中度磨损区的织构面积占有率为30%~45%，总面积为织构区的30%~35%；所述的轻度磨损区的织构面积占有率为15%~30%，总面积为织构区的30%~35%；其中面积占有率是指织构的总面积与织构区总面积的比值。

本发明与现有技术的有益效果在于：本发明通过刀具的在前刀面上，即与切屑发生挤压及摩擦的表面加工圆形凹坑、方形凹坑、微沟槽的混合织构，该混合型织构将有利于提高沿垂直于切屑运动方向的润滑膜速度，对于传统刀具边界润滑状态下润滑膜分布不均的状态起到了改善作用，降低了界面摩擦力，为刀具减磨提供了保障。混合型织构设计及加工形貌达到微米级，可广泛应用于高速切削加工和难切削材料的切削加工，以提高刀具耐用度和加工精度。

附图说明

图1为本发明一种混合型表面织构刀具的前刀面的织构分区图；

图2为本发明一种混合型表面织构刀具的实施例1中PCD刀具前刀面实例的织构排布示意图；

图3为本发明一种混合型表面织构刀具的实施例2中YG8刀具前刀面实例的织构排布示意图。

图中：1-前刀面，2-切削刃，3-织构区，4-未织构区，5-重度磨损区，6-中度磨损区，7-轻度磨损区，8-圆形凹坑，9-方形凹坑，10-微沟槽，11-主偏角，12-刀尖，13-被切削工件。

具体实施方式

本发明提供一种混合型表面织构刀具，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中织构加工方法可以是激光加工、电解加工、光刻加工、磨削加工，以及电火花加工等。本发明织构的参数的选取可以根据实际加工中的需求和设备的要求再进行精度确定。

实施例1

下面以PCD材质车刀，激光加工方法，选用YLP脉冲光纤激光器为例，结合图1和图2对本发明的具体实施进行说明。

图1所示为加工时织构刀具与被切削工件13的相对运动关系图。主偏角11为切削刃2与进给运动方向之间的夹角。加工时，刀尖12以及切削刃2与被切削工件13接触。

PCD车刀的具体参数：粒度10μm，前角0°，后角11°，刃倾角0°，刀尖圆弧半径0.5mm，硬度（HV）为800，尺寸为15×15mm。

本发明实施例提供PCD车刀混合型表面织构设计及加工方法，包括如下步骤：

步骤一，车刀的前刀面1进行激光加工之前需要经过前处理工艺，前处理使用金相砂纸打磨，使刀具表面达到激光加工的要求，表面粗糙度Ra≤0.4μm，然后在丙酮溶液中超声清洗5~15min。

步骤二，车刀前刀面1混合型织构分区优化设计，如图1所示的刀具前刀面织构分区图。在刀具前刀面织构区3制作混合型表面织构，如图2刀具前刀面的织构排布示意图所示，织构区占整个前刀面的30~60%，织构区距离切削刃的垂直距离为5-500μm。根据区域与切削刃2的距离远近，与切削刃2相交的区域磨损最为严重，为重度磨损区5。其织构分布沿垂直于切削刃2方向的长度为2~3mm，织构总面积为织构区的30%~35%，混合型织构的具体参数为：圆形凹坑8直径为20~500μm，圆形凹坑8深度为2~50μm，方形凹坑9边长为20~500μm，方形凹坑9深度为2~50μm，微沟槽10宽度为20~500μm，微沟槽10深度为2~50μm，凹坑间距为20~400μm，面积占有率为45%~60%。混合织构的具体排布方式为：在与切削刃平行和垂直的方向，圆形凹坑8与方形凹9坑皆相邻交替排布；在与切削刃平行方向，每三列凹坑交替一列微沟槽10排布，交替三次。其中微沟槽10长度方向与切削刃2平行。与重度磨损区相邻的为中度磨损区6。其织构分布沿垂直于切削刃2方向的长度为2~3mm，织构总面积为织构区的30%~35%，混合型织构的具体参数为：圆形凹坑8直径为20~500μm，圆形凹坑8深度为2~50μm，方形凹坑9边长为20~500μm，方形凹坑9深度为2~50μm，微沟槽10宽度为20~500μm，微沟槽10深度为2~50μm，凹坑间距为20~400μm，面积占有率为30%~45%。混合织构的具体排布方式为：在与切削刃2平行和垂直的方向，圆形凹坑8与方形凹坑9皆相邻交替排布；在与切削刃2平行方向，每三列的凹坑交替一列微沟槽排布，交替二次。其中微沟槽10长度方向与切削刃2平行。距离切削刃2最远的区域磨损程度最轻，为轻度磨损区7。其织构分布沿垂直于切削刃2方向的长度为2~3mm，织构总面积为织构区的30%~35%，混合型织构的具体参数为：圆形凹坑8直径为20~500μm，圆形凹坑8深度为2~50μm，方形凹坑9边长为20~500μm，方形凹坑9深度为2~50μm，微沟槽10宽度为20~500μm，微沟槽10深度为2~50μm，凹坑间距为20~400μm，面积占有率为15%~30%。混合织构的具体排布方式为：在与切削刃2平行和垂直的方向，圆形凹坑8与方形凹坑9皆相邻交替排布；在与切削刃2平行方向，每三列的凹坑交替一列微沟槽排布，交替一次。其中微沟槽10长度方向与切削刃2平行。因此，车刀前刀面织构分为三个区域，与切削刃2的距离由近到远分别为：轻度磨损区7，中度磨损区6，重度磨损区5。

步骤三，采用YLP脉冲光纤激光器，激光加工参数为：中心发射波长1064nm，发射带宽5nm，脉冲占空比100ns，离焦量[~1.2,1.2]mm，脉冲频率20~180kHz，脉冲平均功率0~100w。

步骤四，激光微加工的后处理工艺，即在车刀前刀面1用金相砂纸沿垂直于切削刃的方向打磨刀具前刀面3~10min，去掉刀具表面凝固的熔渣，并在丙酮溶液中超声清洗5~15min。

实施例2

下面以YG8材质车刀，使用光刻电解加工技术实现表面织构的加工为例，结合附图1和图3对本发明的具体实施进行说明。

图1所示为加工时织构刀具与被切削工件13的相对运动关系图。主偏角11为切削刃2与进给运动方向之间的夹角。加工时，刀尖12以及切削刃2与被切削工件13接触。

YG8车刀的主要组成成分及比例为：钴（8%）、碳化钨（92%）。YG8车刀的具体参数：前角0°，后角11°，刃倾角0°，刀尖圆弧半径0.5mm，表面洛式硬度（HRA）为89，尺寸为15×15mm，前刀面Ra值为0.5μm。

本发明实施例提供YG8车刀混合型表面织构设计及加工方法，包括如下步骤：

步骤一，车刀前刀面1进行前处理。首先在丙酮溶液中超声清洗10~20min，并重复两次；然后再浸于酒精溶液中超声清洗3~10min；最后放入烘箱内，120℃烘烤5~15min。

步骤二，车刀前刀面1混合型织构分区优化设计，如图1所示刀具前刀面织构分区图。在刀具前刀面织构区3制作混合型表面织构，如图3刀具前刀面的织构排布示意图所示，织构区占整个前刀面的50%~70%，织构区距离切削刃的垂直距离为5-500μm。根据区域与切削刃2的距离远近，与切削刃2相交的区域磨损最为严重，为重度磨损区5。其织构分布沿垂直于切削刃2方向的长度为3~4mm，织构总面积为织构区的30%~35%，混合型织构的具体参数为：圆形凹坑8直径为20~500μm，圆形凹坑8深度为2~50μm，微沟槽10宽度为20~500μm，微沟槽10深度为2~50μm，凹坑间距/凹坑与微沟槽距离为20~400μm，面积占有率为45%~60%。混合织构的具体排布方式为：在与切削刃2平行和垂直的方向，圆形凹坑8呈行与列排布；在与切削刃平行方向，每两列凹坑交替两列微沟槽10排布，交替三次。其中微沟槽10长度方向与切削刃2平行。与重度磨损区相邻的为中度磨损区6。其织构分布沿垂直于切削刃2方向的长度为3~4mm，织构总面积为织构区的30%~35%，混合型织构的具体参数为：圆形凹坑8直径为20~500μm，圆形凹坑8深度为2~50μm，微沟槽10宽度为20~500μm，微沟槽10深度为2~50μm，凹坑间距/凹坑与微沟槽距离为20~400μm，面积占有率为30%~45%。混合织构的具体排布方式为：在与切削刃2平行和垂直的方向，圆形凹坑8呈行与列排布；在与切削刃2平行方向，每两列的凹坑交替两列微沟槽排布，交替二次。其中微沟槽10长度方向与切削刃2平行。距离切削刃2最远的区域磨损程度最轻，为轻度磨损区7。其织构分布沿垂直于切削刃2方向的长度为3~4mm，织构总面积为织构区的30%~35%，混合型织构的具体参数为：圆形凹坑8直径为20~500μm，圆形凹坑8深度为2~50μm，微沟槽10宽度为20~500μm，微沟槽10深度为2~50μm，凹坑间距/凹坑与微沟槽距离为20~400μm，面积占有率为15%~30%。混合织构的具体排布方式为：在与切削刃2平行和垂直的方向，圆形凹坑8呈行与列排布；在与切削刃2平行方向，两列凹坑交替两列微沟槽排布，交替一次。其中微沟槽10长度方向与切削刃2平行。因此，车刀前刀面织构分为三个区域，与切削刃2的距离由近到远分别为：轻度磨损区7，中度磨损区6，重度磨损区5。

步骤三，涂胶，使用负型光刻胶（EPG 533）。涂胶过程在SC~1B型旋转匀胶台上进行，覆盖后的光刻胶膜厚度大约为4.0~5.5μm。涂覆完毕后在90℃烘箱中烘烤15~25min。

步骤四，将设计有表面织构图案的掩模板紧贴于涂覆有光刻胶的试件表面并压紧，利用紫外光源进行曝光，曝光时间根据光源强度不同而不同，为7s~5min左右。

步骤五，将试件浸于显影剂中轻微震荡1min左右，再将试件在清洗剂清洗1min左右，取出后用去离子水冲洗掉残留的试剂，置于130℃下的烘箱中烘烤20~30min。

步骤六，电解加工，被加工试件接电源的阳极，电源阴极接导电铜片。电源为脉冲电源，恒定电压25V，占空比50%，脉冲频率20kHz，电解液为硝酸钠和氯化钠溶液，质量分数都为10%，电解时间2~6s。

步骤七，浸入去膜剂中超声清洗5~15min。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。